第1章 电子制造技术概述

1.1 电子制造概述

据统计，当今发达国家国民生产总值增长部分的70%与电子有关。电子工业增长速率一般为GDP增长速率的3倍，是一个国家繁荣的核心工业。1995年以后，电子制造业已经超过机械制造业。近十年来电子产品的发展，特别是个人电子产品迅速普及，导致电子制造业已经超过任何其他的行业，发展成为全球第一大产业。

1.1.1 电子制造基本概念

“电子制造”（Electronic Manufacture）是一个描述电子产品从生产硅片开始到生产出电子产品的物理实现过程。简单地说，电子制造就是以电子产品与系统作为制造对象和目标而从事的各种制造活动。电子制造涉及电子、机械、材料、物理、化学等许多学科的交叉。如图1-1所示是电子制造的物理实现过程。

电子封装指的是从电路设计的完成开始，根据电路图，将裸芯片、陶瓷、金属、有机物等物质制造成芯片、元件、板卡、电路板，最终组装成电子产品的整个过程。

半导体制造指的是利用微细加工技术将各单元器件按一定的规律制作在一块微小的半导体片上进而形成半导体芯片的过程，也称为集成电路制造。

在半导体器件制作过程中，有前工程和后工程之分。二者以硅圆片（wafer）切分成晶片（chip）为界，在此之前为前工程，在此之后为后工程。

所谓前工程是从整块硅圆片入手，经过多次重复的制膜、氧化、扩散，包括照相制版和光刻等工序，制成三极管、集成电路等半导体元件及电极等，开发材料的电子功能，以实现所要求的元器件特性。

所谓后工程是从硅圆片切分好的一个一个的小晶片入手，进行装片、固定、键合连接、塑料灌封、引出接线端子、检查、打标等工序，完成作为器件、部件的封装体，以确保元器件的可靠性并便于与外电路连接。电子封装主要是在后工程中完成的。

1.1.2 电子制造技术的发展

1.电信号处理工业的诞生

电信号处理工业始于由李·德·福雷斯特（Lee De Forest）在1906年发现的真空三极管。真空三极管使得收音机、电视和其他消费电子产品成为可能。它也是世界上第一台电子计算机的大脑，这台被称为电子数字集成器和计算器（ENIAC）的计算机于1947年在宾西法尼亚的摩尔工程学院进行首次演示。

这台电子计算机和现代的计算机大相径庭。它占地约1500平方英尺，重30吨，工作时产生大量的热，并需要一个小型发电站来供电，花费了1940年时的400000美元。ENIAC的制造用了19000个真空管和数千个电阻及电容器。

真空管有三个元件，由一个栅极和两个被其栅极分开的电极在玻璃密封的空间中构成。密封空间内部为真空，以防止元件烧毁并易于电子的移动。

真空管有两个重要的电子功能，开关和放大。开关是指电子器件可接通和切断电流；放大则较为复杂，它是指电子器件可把接收到的信号放大，并保持信号原有特征的功能。

真空管有一系列的缺点。体积大，连接处易于变松导致真空泄漏，易碎，要求相对较多的电能来运行，并且元件老化很快。基于真空管的计算机的主要缺点是由于真空管的烧毁而导致运行时间有限。

这些问题成为许多实验室寻找真空管替代品的动力。

2.晶体管的发明

1947年12月23日，美国科学家巴丁博士、布菜顿博士和肖克莱博士，在导体电路中进行用半导体晶体把声音信号放大的实验。3位科学家惊奇地发现，在他们发明的器件中通过的一部分微量电流，竟然可以控制另一部分流过的大得多的电流，因而产生了放大效应。这个器件，就是在科技史上具有划时代意义的成果——晶体管，如图1-2所示。这3位科学家因此共同荣获了1956年诺贝尔物理学奖。

晶体管促进并带来了“固态革命”，进而推动了全球范围内的半导体电子工业。晶体管不但有真空管的功能，而且具有固态（无真空）、体积小、重量轻、耗电低并且寿命长的优点。作为主要部件，它及时、普遍地首先在通信工具方面得到应用，并产生了巨大的经济效益。由于晶体管彻底改变了电子线路的结构，集成电路以及大规模集成电路应运而生，使得制造像高速电子计算机之类的高精密装置变成了现实。

3.集成电路的产生

集成电路的问世是离不开晶体管技术的，没有晶体管就不会有集成电路。本质上，集成电路是最先进的晶体管——外延平面晶体制造工艺的延续。集成电路设想的提出同晶体管密切相关。

1958年12月，在美国德州仪器公司（TI）工作的杰克·基尔比（Jack Kilby）成功地制作出世界上第一片集成电路，如图1-3所示。他使用一根半导体单晶硅制成了相移振荡器，这个振荡器所包含的4个元器件已不需要用金属导线相连，硅棒本身既作为电子元器件的材料，又构成使它们之间相连的通路。

同年，另一家美国著名的仙童电子公司也宣称研制成功集成电路。由该公司赫尔尼等人所发明的一整套制作微型晶体管的新工艺——“平面工艺”被移用到集成电路的制作中，使集成电路很快从实验室研制试验阶段转入工业生产阶段。

1959年，英特尔（Intel）的创始人Jean Hoerni和Robert Noyce，在Fairchild Semiconductor开发出一种崭新的平面科技，令人们能在硅表面铺上不同的物料来制作晶体管，在连接处铺上一层氧化物做保护。这项技术的突破取代了以往的人手焊接，而以硅取代锗使集成电路的成本大为下降，令集成电路商品化变得可行。由集成电路制成的电子仪器从此大行其道，到20世纪60年代末期，接近九成的电子仪器是以集成电路制成的。时至今日，每一枚计算机芯片中都含有过百万颗晶体管。

在基尔比的集成电路面世初期，没有人能想象到这一片微细的芯片能给社会带来多大的冲击。如果没有了集成电路的发明，今时今日许多的电子产品根本没有可能面世。集成电路衍生出整个现代计算机工业，四五十年代那些动辄用上整个房间的计算机已被现今的桌面计算机、笔记本电脑所取代；集成电路亦将通信科技重新定位，为人与人、公司与公司、国与国之间的通信提供全新的实时数据传送方法。事实上，若缺少了集成电路，人类今天可能还未能冲出地球去探索太空和登陆月球。集成电路的应用层面已达至教育、运输、生产及娱乐，可谓现今社会不可或缺的一环。

4.工艺发展趋势及摩尔定律（Moore's Law）

从1947年开始，半导体工业就已经呈现出在新工艺和工艺提高上的持续发展。工艺的提高导致了具有更高集成度和可靠性的集成电路的产生，从而推动了电子工业的革命。这些工艺的改进归为两大类：工艺和结构。工艺的改进是指以更小尺寸来制造器件和电路，并使之具有更高的密度、更多的数量和更高的可靠性。结构的改进是指新器件设计上的发明使电路的性能更好，实现更佳的能耗控制和更高的可靠性。

集成电路中器件的尺寸和数量是IC发展的两个共同标志。器件的尺寸是以设计中最小尺寸来表示的，叫做特征图形尺寸，通常用微米来表示。1微米为1/10000厘米或约为人头发的1/100。

英特尔（Intel）公司的创始人之一戈登·摩尔（Gordon Moore）在1964年预测了集成电路的发展趋势，提出了集成电路的集成度会每十八个月翻一番，即单个芯片上晶体管的数目每十八个月翻一番，这个预言后来成为著名的摩尔定律并被证明十分准确。

摩尔分析了集成电路迅速发展的原因，指出集成度的提高主要是三个方面的贡献：一是特征尺寸不断缩小；二是芯片面积不断增大；三是集成电路结构的不断改进。“摩尔定律”对整个世界意义深远。在回顾半导体芯片业的发展并展望其未来时，信息技术专家们说，在今后几年里，“摩尔定律”可能还会适用。